발전소 역사를 통해 본 ‘에너지의 중요성’

발전소 역사를 통해 본 ‘에너지의 중요성’

 

 늦은 밤에도 환한 거리를 걸을 수 있고, 앉아서 세상에서 일어나는 일들을 한눈에 볼 수 있다. 인류를 이토록 편리하게 만들어 준 것은 과연 무엇일까? 전기 에너지를 통한 시공간의 확장과, 급격한 능력 발전은 ‘지구촌’이라는 단어를 가능하게 만들었다.

 한전아트센터는 한국전력공사에서 운영하는 사회 공헌활동의 일환인 복합문화공간으로 1,000석 이상의 공연장 및 문화교실, 갤러리, 전기 박물관 등의 시설을 갖추고 있다.

 우리의 일상 속에서 이미 빠질 수 없는 존재인 전기를 알아보기 위해 서울 서초구 서초동에 위치한 한전아트센터 전기박물관을 방문했다.

[ 사진 1. 전기의 아버지 에디슨 ]

출처: 한전아트센터 홈페이지

 

 곳곳마다 콘센트의 전기 에너지가 자연적으로 생산되는 것은 아니다. 보통 우리가 사용하는 전기 에너지는 발전소에서 생산되어 변압기를 통해 보내진다. 한전아트센터 전기 박물관은 전기 역사관과 현대 역사관 두 전시관을 각각 다섯 가지와 네 가지로 구분하고 있다. 전체적인 견학 후, 전기 역사관에서는 ‘전기 에너지의 확장’, 현대 역사관에서는 ‘수·화력 발전원리’ 구역을 각각 선정하여 발전소의 시초부터 오늘날까지의 모습을 알아보았다.

[ 사진 2,3. 한전아트센터 전시관 배치도]

 출처: 한전아트센터 홈페이지 

 

1. 에너지 발전의 역사

 

- 증기기관의 역사

 현재 사용하고 있는 증기기관은 기원전 120년 헤론이 발명한 분수 반동 증기로부터 시작되었다. 이 분수 반동 증기는 에올리오스로 불리며 솥에서 나오는 증기를 사용하여 축 바퀴를 돌리는 방식이다.

[ 그림 1. 헤론의 분수 반동증기 에올리오스 ]

출처: 네이버

 

 1630년 죠반니브랑카는 보일러에서 노즐을 통해 분출되는 증기를 이용하여 구멍이 뚫린 바퀴를 돌리는 터빈 원리를 발견하였다. 그리고 1695년 파팽은 최초로 피스톤 증기기관을 발명했으며 공기 펌프를 개량, 피스톤을 이용한 대기압 원동기를 고안하였다.

[ 그림 2. 보일러를 이용한 터빈의 작동 원리 ]

출처: 네이버

 1695년 파팽은 최초로 피스톤 증기기관을 발명했으며 공기 펌프를 개량, 피스톤을 이용한 대기압 원동기를 고안하였다.

 17C 말에는 산업혁명으로 인해 광산 배수 문제가 크게 다루어졌다. 1698년 세이버리는 펌프 증기기관을 발명하여 양수기를 개발하였다. 1704년 토마스 뉴커먼은 세이버리의 펌프 증기기관을 바탕으로 뉴커먼 기관 또는 대기압 기관이라고 불리는 증기기관을 발명했다. 뉴커먼 기관은 대기압만으로 물을 빨아올리기 때문에 물이 한번 분사할 때마다 실린더가 냉각이 되어 열 손실이 많았다. 1775년 제임스 와트는 뉴커먼 기관의 효율을 증가시키기 위해 실린더 내부가 아닌 실린더와 연결된 별도의 응축기에서 증기를 압축시킨다. 즉, 피스톤을 대기압이 아닌 증기압력으로 움직여 응축기만 냉각이 되고 실린더의 열은 보존되어 높은 효율을 유지하는 단동기관을 개발하였다. 그 후 1782년 복동기관(회전기관)을 개발하였다. 제임스 와트는 증기기관의 조상이라고 불린다. 사실 증기기관의 개발과 연구는 과거부터 진행 중이었다. 하지만 제임스 와트는 증기기관의 연구를 통해 기술적 효율 증대 및 상용화의 시발점이므로 증기기관의 조상이라 불린다.

[ 그림 3. 펌프 증기기관 ]

출처: 다음

[ 그림 4. 와트의 증기기관 ]

출처: 구글

 

 1883년 데라발은 충동증기터빈을 발명했다. 충동증기터빈이란 보일러에서 나오는 고속 증기가 터빈의 날개에 부딪쳐 충동 작용을 이용하여 터빈의 날개를 회전시켜 열에너지를 운동에너지로, 운동에너지를 기계적 에너지로 변환하여 에너지를 발생시키는 터빈을 말한다.

 일 년 후, 1884년 찰스 파슨스는 데라발의 충동증기터빈의 원리와 비슷하지만 충동단만으로 이루어진 충동증기터빈과 달리 반동단만으로 이루어진 반동터빈을 발명하였다. 1895년 찰스 커티스는 충격 원리, 반동 원리를 조합한 증기터빈을 발명하여 화력, 수력발전소의 발전에 기여하였다.

 

[ 그림 5,6. 충동터빈, 반동터빈 ]

 출처: 구글

 

- 세계 최초의 발전소

 토머스 A. 에디슨(Thomas A. Edison)은 1878년 백열전구 발명을 위해 에디슨 전기 조명 회사를 설립하였다. 1882년 에디슨 전기 조명 회사는 가정용 전기 생산을 위해 뉴욕 시 근처에 펄 스트리트 발전소(Pearl Street Station)를 건립하였다. 110V 전압 공급을 맨해튼 남부를 대상으로 서비스를 시작하였고 석탄을 사용하는 화력발전소이며 200마력 발전기 6대와 증기기관 6기를 갖추었다.

[ 그림7. Pearl Street 발전소 ]

출처: 구글

 

2. 국내 발전소의 역사

 

 1887년, 에디슨이 백열전구를 발명한 지 8년 만에 경복궁 건청궁에서 우리나라 최초의 전등불을 밝혔으며 뒤이어 1897년 자가 발전 설비를 통해 전등을 밝히는 ‘전기등소’가 등장했다.

 많은 사람들이 경복궁의 ‘전기등소’를 최초의 발전소로 여기고 있지만 ‘전기등소’는 자가발전을 통해 생산한 전기를 다른 곳으로 공급하는 시스템이 아니기 때문에 엄밀히 말하자면 현시대의 우리가 알고 있는 대형 발전소와는 다른 의미일 것이다. 이듬해인 1888년에 고종은 우리나라 최초의 전기회사 ‘한성전기회사’를 설립하였으며 최초의 상업 발전소 ‘동대문 전등발전소’를 완공했다.

[ 그림 8. 우리나라 최초의 전기회사 ]

 출처: 네이버 지식백과

 동대문에 발전소를 세운 이유는 바로 최초의 대중교통이었던 전차를 운행하기 위함이었는데, 원활한 전차와 전등으로의 전기 공급을 위해 이용되었다고 한다. 이후 한성전기회사는 전력부족을 해결하기 위해 1903년에 마포에 제2발전소, 남대문에 변전소를 건설하여 우리나라 전등 사업을 확장해나갔다.

 

- 국내 최초의 화력발전소 및 현황

 1930년에 국내 최초의 화력발전소 ‘서울화력발전소’가 건설되었다. 서울 발전소에는 총 5호기까지 있으나 2017년 3월을 마지막으로 ‘국내 최고령’이라는 명예를 안고 모든 발전기가 수명을 다하여 운행을 중단했다.

[ 사진 4. 화력발전소의 가스 배출 ]

출처: 충청투데이 홈페이지

 

 현재 우리나라 화력발전소는 ‘한국동서발전’, ‘한국남부발전’, ‘한국남동발전’을 중심으로 석탄화력, 복합 화력, 천연가스 발전 방식 등을 채택했다. 화력발전소의 치명적인 단점은 온실가스를 배출한다는 것이다. 지구온난화가 가속화되며 기후변화에 집중하고 있는 요즈음, 화력발전소에 따가운 시선들이 쏠린다. 정부 방침에 따라 노후 석탄발전소 충남 4기 경남 2기 강원 2기 등 총 8기를 일시 가동 중단하였으며 계획된 발전소도 중단하여 신재생에너지에 초점을 맞추는 추세이다.

 

- 한국 최초 수력발전소

[ 사진 5. 수력발전소]

출처: 한국민족문화 대백과 홈페이지

 1905년, 평안북도 운산군에 운산금광으로의 전력공급을 위한 국내 최초의 운산수력발전소가 준공되었다. 이로부터 약 40년 뒤인 1944년에 화천수력발전소가 준공되었다. 수력발전소의 가장 큰 장점은 공해가 발생하지 않는다는 점이나 건설 시 위치성, 경제성, 생태계, 효율성 등을 다방면으로 고려해야 한다. 현재 우리나라는 총 10개의 수력발전소를 운행하고 있으며 노후 된 설비들이 많아 연차적인 보수공사와 설비 현대화를 진행 중이다.

 

- 한국 최초 원자력 발전소

[ 사진 6. 고리원자력발전소 기공식 ]

출처: 한국민족문화대백과 홈페이지

 1978년 4월 29일 고리발전소 1호기는 한국의 원자력 시대를 열었다. 1962년 원자력 점화 성공한 이래로 16년 만에 이룬 일이었다. 우리나라 원자력 발전소는 고리, 신고리, 월성, 신월성, 한빛과 한울 총 6개의 발전소가 있으며 현재 국내 전력 생산량의 약 31.5%를 차지하고 있다.

 

- 국내 최초의 지열발전소

[ 사진 7. 포항지열발전소 건설현장 ]

출처: 중앙일보 블로그

 지열발전소는 지중으로부터 분출하는 증기를 그대로 혹은 그것을 열원으로 하여 증기로써 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 우리나라 최초의 지열발전소는 땅 속 깊이 화강암 지층이 있는 포항에 건설 중에 있다. 화산활동이 활발한 나라가 아닌 한국에서의 포항 지열발전소는 아시아 최초로 비화산지대에 건설한다는 점에 큰 의의가 있다. 2016년 6월에 착공하여 현재 발전시설을 만들어 시운전을 거칠 계획 중에 있다. 내년엔 5MW 발전설비를 추가로 건설해 우리나라 에너지 믹스에 변화를 줄 것으로 예상된다.

 

3. 현대의 발전 방식 및 미래 발전 방향 

 현대 시대에 들어 다양한 발전소가 가동 중에 있다. 그 종류로는 물의 위치에너지로 수차를 돌려 전기를 얻는 수력 발전, 석탄이나 중유 등의 연료와 보일러를 이용하여 고온 고압의 수증기를 만들고 증기터빈을 돌려 전기를 얻는 화력 발전, 원자로 안의 핵분열을 이용한 원자력 발전, 조수 간만의 차를 이용한 조력 발전, 바람으로 풍차를 돌려 전기에너지를 발생시키는 풍력 발전, 땅 속에서 나오는 고온의 증기를 이용하여 발전하는 지열 발전 등이 있다.

 

그렇다면 우리나라에서의 에너지원 별 발전량 비율은 어떻게 될까?

[ 표 1. 우리나라의 에너지 발전량 비율 ]

출처: 한국전력공사 블로그

 

 21세기 현재 가장 많은 비중을 차지하고 있는 자원은 석탄과 석유, 가스 등 지하자원이지만 이들은 유한 자원이고 환경오염문제를 유발하기 때문에, 점차 원자력 등 친환경 대체에너지와 자연력을 이용한 재생에너지에 대한 비중이 증가해 왔다.

 원자력 발전은 핵분열을 연쇄적으로 발생시켜 막대한 에너지를 얻는다. 가령 우라늄 1g이 전부 핵분열 될 때 나오는 에너지는 석유 9드럼 또는 석탄 3톤이 탈 때 내는 에너지와 맞먹는다. 그러나 최근 후쿠시마 원전사태와 더불어 방사능 폐기물 처리 및 비상사태에 대한 치명적인 환경문제들이 붉어지면서 세계적으로 탈 원전 운동이 일어나고 있다. 우리나라에서도 최초의 원자력발전소인 고리 1호기가 폐쇄되었고 공사 중이던 신고리 5,6호기 마저 중단되었다.

 반면 재생에너지는 그 비중이 앞으로도 점점 증가할 추세이다. 자연현상을 이용한 에너지라 고갈되지 않으며 환경문제를 야기하지 않기 때문이다. 문재인 정부는 그 발전 비중을 30년 20%로 목표를 대폭 확대하였다.

[ 사진 8. 고리원전 1호기 폐쇄 ]

출처: 에너지경제 홈페이지

 신(미래) 에너지로서 연료전지와 핵융합에너지가 주목받으며 활발한 연구가 진행되고 있다. 연료전지는 수소와 산소를 화학 반응하여 물과 직류 전기를 만들어 내는 청정에너지이다. 수소와 작은 전지가 들어갈 수 있다면 어디서든 전기를 생산할 수 있는 소형 발전소이다.

 핵융합에너지는 원자력 발전과는 다르게, 수소와 같은 가벼운 원소들의 핵이 서로 결합해 무거운 원소를 형성하게 되는 과정에서 생긴 질량 결손에 의해 방출하는 에너지를 이용하는 발전 방법이다. 대부분 수소로 이루어진 태양이 헬륨으로 바뀌면서 생긴 질량 차이로 에너지를 지속적으로 공급하는 태양과 그 원리가 유사하다. 융합 반응이 일어나기 위해서는 원자핵들이 초속 1000km 이상의 매우 빠른 속도로 부딪혀야 하는데 그러려면 플라즈마를 초고온 약 1억도 이상의 온도로 유지해야 한다. 그러한 기술 확보가 현재는 연구 중에 있다. 만약 상용화가 된다면 원료로서 오직 해수의 중수소만을 사용하기 때문에 자원 확보가 안정적이고, 발전 과정에서 어떠한 오염물질도 만들어내지 않으므로 원자력, 화력 에너지를 대체할 만 하다.

[ 표 2. 원자력발전과 핵융합발전의 비교 ]

 출처: 한국형 핵융합연구소

 한국전력공사 전기박물관의 방문 및 취재를 통하여 본 발전소의 역사는 우리가 사용하는 에너지의 중요성을 삶의 아주 가까운 부분에서 느낄 수 있다는 것을 알 수 있었다.

 한전 아트센터, 전기박물관은 꼭 필요한 요소인 전기 에너지의 발전 종류, 생성과정, 전달과정, 분배과정, 발전과정 그리고 발전 역사 등 다양한 지식전달과 체험활동을 제공하고 있다. 그리고 전기에너지에 대해 전혀 알지 못하는 시민들과 학생들도 쉽게 접근하고 이해할 수 있으며 ‘에너지의 중요성’을 시민들에게 알리고 전하는 역할을 담당하고 있다.

 에너지의 사전적 정의는 인간이 활동하는 근원이 되는 힘 도는 기본적인 물리량의 하나로 물체나 물체계가 가지고 있는 일을 하는 능력을 통틀어 이르는 말이다. 인간의 모든 삶에는 에너지가 필요하다. 에너지는 단어 뜻 그대로 인간에게 꼭 필요한 요소이다.

 현재 우리나라에 에너지를 생산하는 발전소는 원자력 발전소 23기, 석탄 화력발전소 53기, LPG 발전소, 풍력발전소 그리고 수많은 태양광 발전소가 있다. 하지만 최근, 기존의 발전 방식으로부터의 많은 변화가 진행되고 있다. 특히 새로운 정부가 들어서면서 많은 정책들이 나오고 있으며 에너지 산업은 신재생에너지 산업으로 크게 변화하고 있다.

 이러한 변화는 에너지의 중요성을 알기에 이루어지며 ‘에너지 발전’은 위의 본문과 같이 여러 모습으로 변화되어왔고 점점 더 친환경적인 모습으로 변화될 것이다. 이에 신정부는 탈원전, 탈석탄의 에너지 정책으로 에너지 산업의 변화를 만들어가고 있다. 정부를 포함하여 신재생에너지 정책 등 새로운 에너지 발전 산업을 만들고 이끄는 모든 구성원은 에너지 발전의 역사와 현황을 끊임없이 돌아보며 다가올 미래를 준비해야 한다.